Poprawa wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowego ziarna paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej
January 18th, 2021
Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.
Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak poprawić wydajność spalania ziaren. Główną zaletą tego protokołu jest to, że ziarna paliwa o strukturze spiralnej nie znikną w procesie spalania. Metodę tę można również zastosować do formuły ziarna z różnymi kompilacjami materiałów, takimi jak EBS i PUX.
Zacznij od przygotowania podłoża akrylonitryl-butadien-styren lub ABS za pomocą oprogramowania 3D. Zapisz strukturę podłoża 3D jako plik STL. Następnie otwórz oprogramowanie do krojenia 3D i zaimportuj strukturę.
Kliknij Rozpocznij krojenie i wybierz tryb szybkiego drukowania z głównego szablonu. Szybkość dwukrotnego kliknięcia. Następnie zmień gęstość wypełnienia na 100% i wybierz tratwę z fartuchem dla edycji platformy.
Kliknij przycisk Zapisz i zamknij, a następnie kliknij przycisk Wycinek. Włącz drukarkę 3D i zaimportuj plik plasterków podłoża ABS. Ustaw temperaturę podgrzewanego stołu i dyszy odpowiednio na 100 i 240 stopni Celsjusza.
Kliknij przycisk Start, aby drukować po ustabilizowaniu. Aby zapewnić udane drukowanie, nałóż stały klej na płytę grzejną, aby zwiększyć przyczepność między podłożem ABS a płytą grzejną. Do przygotowania paliwa na bazie parafiny przygotuj surowce parafiny, wosk polietylenowy, kwas sterynowy, octan etylenu i winylu oraz proszek węglowy.
Skonfiguruj paliwo na bazie parafiny zgodnie ze wskazówkami manuskryptu i umieść skonfigurowane materiały w mieszalniku stopu. Następnie rozpuść je i mieszaj, aż całkowicie się wymieszają. Umieść substrat ABS w wirówce i zabezpiecz go zaślepką.
Podłącz proszek i włącz przełącznik pompy chłodzenia wodą. Następnie włącz przekaźnik wirówki i zwiększ prędkość do 1 400 obr./min. Otwórz zawór na mieszalniku stopu i rozpocznij odlewanie.
Usuń ziarno paliwa i przytnij kształt. Zmierz i zapisz masę, długość i średnicę wewnętrzną całego ziarna paliwa i sfotografuj je. Aby zmontować hybrydowy silnik rakietowy, zamocuj sekcję komory spalania na szynie ślizgowej, załaduj ziarno paliwa i zamontuj sekcję komory spalania.
Zamontuj głowicę i dyszę. Następnie zainstaluj zapalnik pochodni na głowicy hybrydowego silnika rakietowego. Zainstaluj świecę zapłonową i podłącz zasilanie.
Podłącz przewody doprowadzające azot, utleniacz, metan zapłonowy i tlen zapłonowy między stanowiskiem testowym a butlą z gazem. Podłącz komputer przemysłowy, wielofunkcyjną kartę akwizycji danych, regulator przepływu masowego i skrzynkę sterowniczą stanowiska testowego. Włączyć stanowisko testowe, regulator przepływu masowego i zapalarkę.
Otwórz oprogramowanie FlowDDE i kliknij ustawienia komunikacji. Kliknij odpowiedni interfejs połączenia i kliknij OK. Kliknij przycisk Otwórz komunikację, aby nawiązać komunikację z kontrolerem przepływu.
Następnie otwórz program pomiarowo-kontrolny (MCP). Ustaw kanał wejściowy i wyjściowy wielofunkcyjnej karty akwizycji danych i kliknij przycisk uruchom, aby nawiązać komunikację z całym systemem. Sprawdź stan działania MCP i ustaw go w trybie sterowania ręcznego.
Sprawdź stan pracy świecy zapłonowej i wykonaj test zaworu. Przetestuj funkcję rejestrowania danych. Następnie otwórz interfejs ustawień i ustaw czas testu, w tym czas otwarcia i zamknięcia zaworu, czas zapłonu i czas zapisu danych.
Ustal wymagania bezpieczeństwa i usuń personel z obszaru eksperymentalnego. Otwórz zawór butli i wyreguluj ciśnienie wyjściowe zaworu regulacyjnego zgodnie z różnymi warunkami masowego natężenia przepływu. Otwórz interfejs ustawień i ustaw masowe natężenie przepływu utleniacza.
Włącz kamerę, a następnie ustaw MCP w trybie automatycznego sterowania i poczekaj na wyzwolenie. Kliknij start na MCP, aby rozpocząć eksperyment. Po około minucie kliknij stop i wyłącz kamerę.
Zamknij butlę z gazem i otwórz zawór w rurociągu, aby zmniejszyć ciśnienie. Wyłącz stanowisko testowe i usuń ziarno paliwa. Zmierz i sfotografuj ziarno paliwa, jak pokazano wcześniej.
Zmiany ciśnienia w komorze spalania i masowego natężenia przepływu utleniacza są pokazane tutaj. Aby zapewnić niezbędny czas na regulację przepływu, utleniacz wcześniej wchodzi do komory spalania. Gdy silnik wytwarza ciśnienie w komorze spalania, masowe natężenie przepływu tlenu gwałtownie spada, a następnie utrzymuje stosunkowo stałą zmianę.
Podczas procesu spalania ciśnienie w komorze spalania pozostaje stabilne. Przedstawiono porównanie częstotliwości oscylacji ciśnienia w komorze spalania. Widmo fluktuacji ciśnienia nowego ziarna paliwa zawierało trzy wyraźne szczyty, które były związane z hybrydową niską częstotliwością, trybem Helmholtza i półfalą akustyczną w komorze spalania.
Położenie szczytów ciśnienia w nowym ziarnie paliwowym było zasadniczo takie samo jak w paliwach na bazie parafiny, co wskazuje, że nowa struktura prawdopodobnie nie wprowadzi dodatkowych oscylacji spalania. Porównano szybkość regresji w funkcji strumienia utleniacza między ziarnami paliwa. Przy tym samym masowym natężeniu przepływu utleniacza szybkość regresji nowego ziarna paliwa była wyższa niż paliwa na bazie parafiny, a różnica stopniowo się powiększała wraz ze wzrostem strumienia utleniacza.
Do porównania sprawności spalania wykorzystano prędkość charakterystyczną. Nowe ziarno paliwowe wykazywało wyższą prędkość charakterystyczną niż ziarna na bazie parafiny przy różnych proporcjach utleniacza i paliwa. Odpowiada to średniemu wzrostowi sprawności spalania o około 2%Przystępując do tego protokołu, należy pamiętać, że temperatura odlewania paliwa na bazie parafiny nie może być wyższa niż 120 stopni Celsjusza.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia nową technikę wykorzystującą ziarna paliwa stałego z zagnieżdżoną spiralną strukturą, aby poprawić wydajność spalania hybrydowych silników rakietowych. Spiralna struktura zapewnia, że ziarna paliwa zachowują swoją integralność podczas procesu spalania.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Wydajność spalania
- Hybrydowe silniki rakietowe
- Projektowanie ziaren paliwa
Tło
- Poprawa wydajności spalania jest kluczowa dla hybrydowych silników rakietowych.
- Tradycyjne ziarna paliwa mogą ulegać degradacji podczas spalania.
- Nowe struktury mogą potencjalnie poprawić wydajność.
- Można zbadać różne kompozycje materiałowe dla ziaren paliwa.
Cel badania
- Opracowanie projektu ziarna paliwa, który poprawia wydajność spalania.
- Zbadanie trwałości ziaren paliwa z spiralną strukturą podczas spalania.
- Ocena przydatności tej metody dla różnych kompozycji materiałowych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie podłoża z akrylonitrylu-butadienu-styrenu (ABS) za pomocą oprogramowania 3D.
- Zapisanie struktury 3D jako pliku STL.
- Importowanie struktury do oprogramowania do krojenia 3D.
- Przeprowadzenie testów spalania w celu oceny wydajności.
Główne wyniki
- Ziarna paliwa z spiralną strukturą wykazały lepszą wydajność spalania.
- Ziarna paliwa zachowały swoją strukturę przez cały proces spalania.
- Metodę można dostosować do różnych formuł materiałowych.
Wnioski
- Nowatorska spiralna struktura poprawia wydajność spalania hybrydowych silników rakietowych.
- To podejście oferuje obiecującą drogę dla przyszłych projektów ziaren paliwa.
- Dalsze badania mogą zbadać dodatkowe kompozycje materiałowe w celu optymalizacji.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This work presents a fuel grain design strategy for hybrid rocket propulsion systems, focusing on structural integrity and combustion efficiency. The nested helical structure enables sustained performance by resisting degradation during operation, offering a pathway to more predictable thrust profiles. Such innovations support de-risking in propulsion development by improving regression rate control and energy release consistency.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-property relationships under reactive conditions.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for testing fuel-oxidizer interactions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardized evaluation of regression rate as a function of oxidizer flux.
- Operational Value: Supports scalable preparation via centrifugal casting and 3D-printed substrates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers a testbed for assessing combustion stability through pressure oscillation analysis.
- Operational Value: Enables iterative design refinement based on characteristic velocity and efficiency metrics.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into propulsion R&D workflows by linking fuel grain fabrication to performance testing, enabling data-driven design iterations. It supports early-stage screening of material combinations and structural geometries before full-scale testing.
- Discovery Biology: Not applicable; focused on material combustion behavior.
- Screening: Enables quantitative comparison of regression rates across oxidizer flux conditions.
- Analytics: Utilizes characteristic velocity and pressure spectra to assess combustion efficiency and stability.
- Translational Research: Supports continuity from lab-scale grain testing to engine-level performance prediction.
- Enterprise Reuse: The ABS substrate and casting process can be adapted for multiple fuel formulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in fuel grain performance through structural persistence.
- Operational Value: Enhances reproducibility via standardized 3D printing and centrifugal casting.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions by linking grain design to measurable combustion outcomes.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of propulsion concepts based on efficiency gains.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D modeling, slicing, and printer operation for substrate fabrication.
- Needs centrifuge and melt mixer for fuel casting, with temperature control below 120°C.
- Demands cross-team alignment between materials, manufacturing, and test engineering groups.
- Must account for material-specific adaptation when extending to EBS or PUX formulations.
- Limited by the need for specialized test bench instrumentation to capture pressure and flow dynamics.
